MX2015006607A - Proceso para el tratamiento de un silicato. - Google Patents

Abstract

La invención proporciona un proceso para la preparación de una segunda composición, el proceso comprende las etapas de: - preparar una primera composición que comprende un ortosilicato de magnesio metálico alcalino y opcionalmente (i) óxido de magnesio o (ii) un silicato metálico alcalino, por reacción, a una temperatura de 500 a 1200 °C, de un compuesto de carbonato metálico alcalino, cuyo compuesto es un carbonato metálico alcalino, un bicarbonato metálico alcalino o una mezcla de los mismos, con un silicato de magnesio, la relación molar de compuesto de carbonato metálico alcalino, expresado como óxido metálico alcalino de la fórmula R2O, en la cual R representa un metal alcalino, a silicato de magnesio, expresado como dióxido de silicio, de la fórmula SiO2, siendo de 4:1 a 1:4, y - poner en contacto la primera composición con agua para producir la segunda composición que comprende un silicato de magnesio amorfo hidratado (M-S-H). Es posible aislar o producir además productos útiles a partir de la segunda composición.

Description

PROCESO PARA EL TRATAMIENTO DE UN SILICATO CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona con un proceso para el tratamiento de un silicato. El proceso usa un silicato de magnesio como material de inicio, y produce un producto anhidro que comprende un ortosilicato de magnesio metálico alcalino, el cual entonces se trata con agua para obtener un producto que comprende silicato de magnesio amorfo hidratado, que puede someterse a tratamientos adicionales para producir otros productos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las rocas de silicato de magnesio constituyen la mayor parte del manto terrestre, y grandes depósitos superficiales de tales rocas también se encuentran en muchas ubicaciones. La composición del manto terrestre es de aproximadamente 70% de ortosilicato de magnesio básico (Mg2Si04) y, cuando este material se encuentra en forma cristalina cerca de la superficie terrestre, generalmente se encuentra en forma de olivina, la cual esencialmente es una solución sólida entre la forsterita (Mg2Si04 puro) y fayalita (Fe2Si04 puro), que representan los dos componentes principales del manto terrestre. En la corteza terrestre, además de la olivina, los silicatos de magnesio anhidros también se presentan como piroxenos, tal como la enstatita (MgS¡03). Debido a la acción del agua, ya sea en la superficie o en la profundidad dentro de la corteza terrestre, los silicatos de magnesio anhidros se convierten a minerales hidratados de silicato de magnesio común, tal como la serpentina (con la composición global idealizada Mg3Si205(0H)4), y también talco (con la composición global idealizada (Mg3Si4Oio(OH)2).

Las rocas de silicato de magnesio constituyen una excelente fuente de dos importantes elementos, magnesio y silicio, en sus formas de óxido (MgO y Si02). Los procesos para extraer estos dos óxidos de dichas rocas hasta ahora han sido excesivamente demandantes de energía y, de esta manera, no se han comercializado.

Aunque los silicatos de magnesio tienden a ser muy “poco reactivos”, (por ejemplo, en cuanto a que tienen altos puntos de fusión y también se disuelven sólo muy lentamente en agua o diluyen ácidos), se sabe que reaccionarán rápidamente con carbonatos metálicos alcalinos fundidos, tal como el carbonato de sodio (Na2CO3). Tal proceso, comúnmente referido como “fusión de carbonate”, a menudo se utiliza en la preparación de minerales para análisis químico. Generalmente, se agrega un carbonato metálico alcalino sólido en gran exceso (típicamente por lo menos diez partes de carbonato metálico alcalino a una parte de roca de silicato de magnesio) y la mezcla se calienta muy por arriba del punto de fusión del carbonato metálico alcalino. El silicato de magnesio se disuelve completamente en el fundido resultante, el cual, después de enfriarse, puede disolverse fácil y rápidamente en un ácido acuoso fuerte, y la solución luego se analiza por téenicas químicas estándar, lo que de esta manera hace posible un análisis elemental total de la roca. El proceso de fusión de carbonato es un proceso a pequeña escala, es analítico, no preparativo y no es energéticamente eficiente dado que implica fundir un carbonato metálico alcalino en gran exceso con el fin de disolver completamente el silicato de magnesio.

El término silicato de sodio y magnesio algunas veces se utiliza, conforme a la Nomenclatura Internacional de Ingredientes Cosméticos (INCI) para identificar hectoritas sintéticas en forma de nanopartículas y que forman geles transparentes en agua. De acuerdo con un fabricante de tales productos, las hectoritas tienen la fórmula (Mg5.2Lio.8)(S¡8)02o(OH) Nao.8· SUMARIO DE LA INVENCION La presente invención busca proporcionar un proceso para la producción, a partir de roca de silicato de magnesio, de ortosilicatos metálicos alcalinos de magnesio y óxido de magnesio, y/o silicatos metálicos alcalinos que pueden utilizarse y someterse a químicos para capturar el dióxido de carbono (CO2) y que pueden someterse a tratamientos adicionales para producir una serie de productos útiles.

La presente invención, por consiguiente, proporciona un proceso para la preparación de una segunda composición, el proceso comprende las etapas de: - preparar una primera composición que comprende un ortosilicato de magnesio metálico alcalino y opcionalmente (i) óxido de magnesio o (ii) un silicato metálico alcalino, por reacción, a una temperatura de 500 a 1200 °C, de un compuesto de carbonato metálico alcalino, cuyo compuesto es un carbonato metálico alcalino, un bicarbonato metálico alcalino o una mezcla de los mismos, con un silicato de magnesio, la relación molar de compuesto de carbonato metálico alcalino, expresado como óxido metálico alcalino de la fórmula R20, en la cual R representa un metal alcalino, a silicato de magnesio, expresado como dióxido de silicio, de la fórmula Si02, siendo de 4:1 a 1 :4, y - poner en contacto la primera composición con agua para producir la segunda composición que comprende un silicato de magnesio amorfo hidratado (M-S-H).

M-S-H representa un silicato de magnesio amorfo hidratado de composición variable. Puede representarse por una fórmula de óxido en la forma pMg0.S¡02.qH2O donde p típicamente es de 0.5 a 2.0 y de preferencia de 0.6 a 1.5; y q típicamente es de 1 a 4.

La relación molar de compuesto de carbonato metálico alcalino, expresado como óxido metálico alcalino, a silicato de magnesio, expresado como dióxido de silicio, de preferencia es de <4:1 a 1 :4, más preferiblemente de 3:1 a 1:3, por ejemplo, 2:1 a 1:2. La relación muy preferiblemente es de aproximadamente 1.

El metal alcalino de preferencia es potasio o, más preferiblemente, sodio.

El compuesto de carbonato metálico alcalino de preferencia es un carbonato metálico alcalino. Se entenderá que, cuando el compuesto de carbonato metálico alcalino comprende bicarbonato, el último generalmente se descompondrá al carbonato correspondiente a las temperaturas utilizadas en el proceso de la invención.

El compuesto de carbonato metálico alcalino puede ser anhidro o hidratado. Los hidratos de carbonato de sodio incluyen el monohidrato y decahidrato. Los hidratos de carbonato de potasio incluyen el sesquihidrato (también conocido como hemihidrato). Es preferible, cuando sea económicamente factible, utilizar compuestos de carbonato metálico alcalino anhidro para evitar el gasto de energía requerido para remover el agua de hidratación.

El silicato de magnesio utilizado en el proceso de la invención generalmente es un silicato mineral, por ejemplo, una roca de silicato de magnesio que comprende un silicato de magnesio de la composición general: m( g0}*í(Q0)*Si02*xH2O en donde m es de 0.5 a 3, t es menor o igual a 1 , x es de cero a 2 y Q representa un metal o metales diferentes a magnesio, (por ejemplo, calcio y/o un metal del grupo de transición tal como hierro, cromo o níquel). De preferencia, la roca de silicato de magnesio comprende 20% o más, más preferiblemente 50% o más del silicato de magnesio de la composición general descrita anteriormente en este documento. De preferencia, cuando Q representa hierro, níquel y/o cromo, el proceso de acuerdo con la presente invención comprende el aislamiento de un compuesto de hierro, níquel y/o cromo.

Se entenderá que la composición o las fórmulas de minerales a menudo se representan en función de la cantidad teórica de óxidos que contienen. Los óxidos, sin embargo, no se presentan como tales en los minerales cuya composición se representa en esta forma.

Tales minerales incluyen olivinas, por ejemplo, forsterita y monticelita; serpentinas, por ejemplo, antigorita, crisotilo, lizardita, sepiolita y garnierita; piroxenos, por ejemplo, enstatita, diópsido, broncita e hiperstena; anfíibolos, por ejemplo, amosita, antofilita, tremolita y actinolita; humitas, por ejemplo, condrodita y norbergita; y otros minerales tales como clorita, talco, iddingsita y hectorita. Estos minerales pueden contener cantidades sustanciales de hierro, además de magnesio y silicio, y también cantidades significativas de calcio, aluminio y metales alcalinos.

El asbesto comprende un grupo de minerales que se presentan en la naturaleza, el cual incluye serpentina fibrosa (por ejemplo, crisotilo) y minerales anfíbolos (por ejemplo, amosita, antofilita, tremolita y actinolita). Se sabe que las formas fibrilares del asbesto son perjudiciales para la salud y se consideran carcinógenos humanos. El proceso de la invención proporciona un medio para convertir estos minerales a materiales útiles (y no carcinogénicos).

El silicato mineral utilizado en el proceso de la invención de preferencia es un silicato de magnesio. La relación molar MgO/S¡02 de preferencia es de 0.5 a 3, más preferiblemente 0.65 a 2. La relación molar Ca0/Si02 de preferencia es <0.5. La relación molar Fe0/S¡02 de preferencia es <0.5. El contenido de otros elementos en función de la relación molar (óxidos totales)/S¡02 de preferencia es <0.2.

El compuesto de carbonato metálico alcalino utilizado en el proceso de la invención puede ser un mineral, por ejemplo, trona (dicarbonato ácido trisódico dihidratado; Na3H(CO3)2*2H2O), o un compuesto disponible comercialmente. Puede contener impurezas, por ejemplo, hidróxidos y silicatos y, generalmente en cantidades menores, otras Impurezas, por ejemplo, cloruros, sulfatos, sulfitos, nitratos y nitritos. Si se presentan impurezas (por ejemplo, nitratos o hidróxidos metálicos alcalinos) las cuales, a la temperatura utilizada en el proceso de la invención, se descomponen a un óxido metálico alcalino, deben tomarse en cuenta cuando se calcula la cantidad de óxido metálico alcalino.

El proceso de la invención de preferencia se efectúa a una temperatura de 600 a 1100 °C, más preferiblemente de 800 a 1000 °C. El calentamiento generalmente se efectúa por unos cuantos minutos a unas cuantas horas.

El proceso de preferencia se efectúa a una temperatura a la cual el silicato de magnesio es sólido y el carbonato metálico alcalino correspondiente al compuesto de carbonato metálico alcalino es sólido o líquido.

De acuerdo con un atributo de la invención el proceso se efectúa a una temperatura por debajo del punto de fusión del carbonato metálico alcalino correspondiente al compuesto de carbonato metálico alcalino.

Hemos encontrado inesperadamente que es posible obtener un alto grado de reacción entre un compuesto de carbonato metálico alcalino, de preferencia un carbonato metálico alcalino, y un silicato de magnesio cuando los dos materiales se ponen en contacto entre sí en estado sólido. De preferencia se encuentran en forma de partículas, por ejemplo, como polvos. Una mezcla de los compuestos se calienta de preferencia, por ejemplo, en un incinerador, a una temperatura cercana pero por debajo del punto de fusión del carbonato metálico alcalino que corresponde al compuesto metálico alcalino. La relación del carbonato y silicato utilizados de preferencia es sustancialmente igual a la relación estequiométrica calculada con base en que una mole de óxido metálico alcalino (escrito genéricamente como “R20” en el cual R es como se define anteriormente en este documento, presente en el compuesto de carbonato metálico alcalino, es equivalente a una mole de sílice (Si02) presente en el silicato de magnesio. Por ejemplo, la relación de masas estequlométrlcas para la reacción entre forsterlta pura (Mg2Si04, p.m. = 140) y carbonato de sodio anhidro puro (Na2CO3, p.m. = 1 06) sería 140:106. Se entenderá que las fuentes reales de silicato y carbonato utilizadas en la práctica no siempre serán puras, pero la relación estequiométrica idealizada se refiere a aquella en la cual la mezcla calentada tiene una relación molar global de R20:Si02 sustancialmente igual a la unidad.

El silicato de magnesio y compuesto de carbonato metálico alcalino utilizados en el proceso de la presente invención de preferencia se encuentran en forma de partículas o en forma moldeada, por ejemplo, como gránulos.

La roca utilizada para proporcionar el silicato de magnesio y/o compuesto de carbonato metálico alcalino para el proceso de la invención generalmente se secará, triturará y, si es necesario, se molerá (por ejemplo molienda en conjunto) a una distribución deseada de tamaños de partículas. Por ejemplo, el silicato de magnesio puede triturarse a la granulometría de una arena fina (tamaño de gránulo 0.06 a 0.2 mm) o, si es necesario, moler a un polvo fino (tamaños de gránulos por debajo de 0.06 mm). Los tamaños de gránulos mayores a 0.06 mm generalmente se determinan por tamizado. Los tamaños de gránulos menores a 0.06 mm generalmente se determinan por granulometría por láser. Las impurezas minerales indeseables pueden separarse en la medida consistente con la eficiencia energética por métodos de separación mecánicos u otros.

En una modalidad, el proceso de la invención se conduce en un incinerador de parrilla móvil. Este procedimiento se adapta especialmente a rocas de silicato de magnesio (rocas que comprenden principalmente MgO y S1O2) en las cuales la relación molar MgO/Si02 se encuentra cerca de o es mayor a 1.

Una mezcla de compuesto de carbonato metálico alcalino y silicato de magnesio, cada uno en forma de partículas, se conforma a gránulos (por ejemplo, al utilizar un formador de gránulos de disco o tambor). Puede agregarse agua a la mezcla para facilitar el proceso de formación de gránulos. Los gránulos se alimentan sobre una parrilla móvil que comprende, por ejemplo, una aleación de acero resistente a altas temperaturas, donde se calientan, por ejemplo, por el paso de gases calientes, por ejemplo, gases de combustión de combustible. Los gases calientes pueden retirarse a través del lecho de gránulos de la parrilla mediante ventiladores, usualmente colocados bajo la parrilla. El proceso se ilustra dlagramáticamente en la Figura 1 de los dibujos adjuntos.

Típicamente, los gases calientes se producen al quemar, en aire en exceso, un combustible fósil, tales como gas natural, aceite o carbón, y los combustibles derivados de desechos o biomasa, tales como virutas o gases de fermentación de desechos, también pueden utilizarse. De preferencia, el combustible utilizado debe tener un bajo contenido de azufre, por ejemplo, <1%. El paso de gases calientes a través del lecho calienta las partículas, en última instancia, hasta la temperatura deseada.

La tasa de calentamiento se controla, por ejemplo, al variar la cantidad de combustible, la velocidad de la parrilla móvil y/o la velocidad de la ventilación por los ventiladores, con el fin de asegurar una buen eficiencia energética global y también para asegurar que los gránulos retienen su integridad mecánica durante el proceso. La parrilla móvil se diseña a fin de que los gases puedan hacerse pasar a través del lecho varias veces a lo largo de la parrilla para hacer posible una transferencia térmica eficiente entre los gases y los gránulos, a fin de que los gases que dejan el incinerador estén tan fríos como sea posible. Más aún, una vez que los gránulos pasan a través de la zona más caliente (“zona de cocción”) justo después de la combustión del combustible, se enfrían al hacer pasar aire a través del lecho, de tal modo que alcanzan una temperatura tan baja como sea posible antes de descargarse desde el lecho. El aire entrante, precalentado de esta manera por las partículas sólidas salientes, se utiliza como el suministro de aire principal para la combustión de combustible en la zona de cocción, lo que de esta manera conduce a una elevada eficiencia térmica global para este tipo de incinerador. La reacción química teórica general que ocurre durante el proceso de calentamiento se muestra a continuación en la ecuación (1a) para la reacción entre la forsterita (Mg2Si04) y un carbonato metálico alcalino (R2CO3): en la cual R es como se define anteriormente en este documento. La forma más general de esta reacción puede escribirse como en la ecuación (1 b) para m>=1 y la ecuación 1 (c) para m<1 : (lb) m(MgO)*t(QO)*SiOx»xHyO + R2C03 => (m-t)MgO + R¾MgSi04 + tQO + CO2T + xH2Ot en donde m es mayor o igual a 1 para la reacción (1 b) y menor o igual a 1 para la reacción (1c); y Q, t y x son como se define anteriormente en este documento. Las flechas verticales† indican que el dióxido de carbono en gas y vapor de agua, producidos por esta reacción, escapan del lecho y salen con el resto de los gases de escape. De esta manera, idealmente, el producto sólido final que permanece en los gránulos tratados es una mezcla íntima que comprende un ortosilicato de magnesio metálico alcalino (R2MgSi04) y, opcionalmente, óxido de magnesio (MgO, también conocido como perielasa) o un silicato metálico alcalino (R2Si03), así como otros productos sólidos que comprenden los otros metales (Q), especialmente hierro, el cual puede presentarse como magnetita (Fe304) o posiblemente como ferrita metálica alcalina (RFe02), calcio, que puede presentarse as a silicatos, cromo, que puede presentarse como cromatos metálicos alcalinos (R2Cr04), y níquel, que puede presentarse como óxidos.

Las reacciones idealizadas representadas en las ecuaciones (1a,b,c) ilustran la producción de ortosilicatos metálicos alcalinos de magnesio, más magnesio y/u otros óxidos y silicatos, por la reacción directa de una mezcla estequiométrica (es decir, 1:1 R20:Si02) de un silicato de magnesio y un carbonato metálico alcalino.

Este tipo de reacción es muy endotérmico, debido principalmente a la liberación de dióxido de carbono en gas. Consume aproximadamente 0.8 kcal (es decir, aproximadamente 3.4 kJ) de calor por gramo de CO2 liberado. De esta manera, independientemente de la temperatura a la cual se conduce la reacción, habrá un consumo neto significativo de energía para todo el proceso. Sin embargo, si la reacción se conduce, como se describe anteriormente, en un sistema incinerador que hace posible un buen intercambio térmico por contracorriente entre los gases calientes salientes y los sólidos entrantes y, asimismo, entre los sólidos calientes salientes y el aire de combustión entrante, el consumo energético neto puede reducirse a un valor cerca del límite teórico determinado anteriormente. Es importante, para la eficiencia energética, tener un eficiente intercambio térmico por contracorriente al comienzo y final del proceso, entrante y saliente, por ejemplo, en un incinerador de parrilla móvil, como se describe anteriormente.

En una modalidad adicional, el proceso de la invención se conduce en un sistema que comprende parrillas móviles para precalentar y enfriar, y un horno giratorio para el proceso de la invención, el cual comprende una etapa de descarbonatación que produce dióxido de carbono.

Cuando se utiliza un sistema de parrillas móviles, es importante mantener el sólido en forma de gránulos adecuadamente ajustados en dimensiones, a fin de que formen un lecho poroso en la parrilla, lo que hace posible el paso de los gases. Los gránulos de preferencia retienen su integridad mecánica, y de preferencia también mantienen su tamaño medio dentro de límites predeterminados.

De acuerdo con un atributo de la invención, con el fin de facilitar el mantenimiento de la integridad mecánica de los gránulos, (a) la temperatura máxima de los sólidos en el proceso no excede sustancialmente el punto de fusión del carbonato metálico alcalino que corresponde al compuesto de carbonato metálico alcalino, y/o (b) la máxima fracción volumétrica de sólidos del material moldeado por fusión (sustancialmente carbonato metálico alcalino) en los gránulos generalmente se encuentra por debajo del valor en el cual el nodulo se deformará significativamente incluso si el carbonato metálico alcalino se funde. Este valor generalmente se encuentra por debajo de aproximadamente 35% del volumen total de sólidos. Sin embargo, dado que la reacción en sí no produce productos líquidos (sólo sólidos y gases) a las temperaturas empleadas de preferencia, el riesgo de que los nodulos se deformen significativamente debido a la fusión es bastante bajo, incluso a fracciones volumétricas iniciales muy superiores de carbonato metálico alcalino, siempre y cuando el calentamiento se presente lentamente, lo suficiente para hacer posible que ocurra un grado significativo de reacción antes de la fusión completa del carbonato metálico alcalino.

De acuerdo con un atributo adicional de la invención, el proceso de la invención se conduce en un sistema precalentador en suspensión, que comprende una pluralidad de ciclones en un precalentador y, por ejemplo, un horno giratorio, por ejemplo, tal como se utiliza en una planta cementera moderna típica. Los materiales de inicio, por ejemplo, como polvo mezclado sustancialmente seco, se introducen (fríos) en el ciclón superior del precalentador. Durante su paso a través de la torre de ciclones precalentadores, por intercambio térmico por contracorriente con gases de salida de horno, el material se calienta cerca del punto de fusión del carbonato metálico alcalino que corresponde al compuesto de carbonato metálico alcalino, pero sin alcanzar este punto de fusión, con el fin de evitar, por ejemplo, la formación de acreciones en las paredes del precalentador. En la parte inferior de la torre de precalentador, el polvo mezclado entra a un horno giratorio en el cual, a medida que la temperatura se eleva al punto de fusión del carbonato metálico alcalino, el polvo se autonodula. La proporción de compuesto de carbonato metálico alcalino a silicato de magnesio, y/o la distribución de tamaños de partículas del silicato de magnesio y compuesto de carbonato metálico alcalino en forma de partículas, se eligen para promover la autonodulación. Los nodulos entonces se descarbonatan en el horno giratorio. Los nodulos descarbonatados entonces se enfrían, por ejemplo, en un enfriador de parrillas móviles, también como se utiliza en las plantas cementeras modernas típicas. El calor de los nodulos calientes puede utilizarse para precalentar el aire de combustión entrante al horno por intercambio térmico por contracorriente.

Los gránulos o nodulos descarbonatados y enfriados, que comprenden un ortosilicato de magnesio metálico alcalino y, opcionalmente, óxido de magnesio o un silicato metálico alcalino, se tratan con el fin de separar los productos de reacción.

En el proceso de la invención, la primera composición, que comprende un ortosilicato de magnesio metálico alcalino y, opcionalmente, productos de óxido de magnesio o silicato metálico alcalino, se pone en contacto con agua para formar una segunda composición que comprende hidratos de silicato de magnesio amorfo sólido (y, opcionalmente, óxido o hidróxido de magnesio sólido), en conjunto con una solución acuosa que comprende cationes metálicos alcalinos, aniones de hidróxidos y aniones de silicatos.

La primera composición, tales como, por ejemplo, gránulos o nodulos, de preferencia se extingue en una cantidad de agua, de tal modo que la mezcla final después de extinguir tenga una temperatura cercana, pero no excedente, a aproximadamente 100 °C, es decir, suficiente para extinguir los sólidos pero evitar una excesiva evaporación de agua. Los sólidos extinguidos calientes entonces de preferencia se trituran y agitan mecánicamente en forma de suspensión. Puede agregarse más agua si es necesario. Cierto calentamiento adicional puede ser necesario.

Alternativamente, el tratamiento con agua, por ejemplo, en el proceso de extinción y formación de suspensión descrito anteriormente, puede conducirse a una temperatura por arriba de 1000 °C si se utiliza a recipiente presurizado (por ejemplo, una autoclave).

Alternativamente, el proceso anterior de extinción y formación de suspensión puede conducirse a temperaturas inferiores o ambientales. El agua para convertir la primera composición a la segunda composición opcionalmente puede recielarse desde otra parte del proceso.

El objetivo es separar los componentes de la segunda composición en virtud de los hechos de que (a) los carbonatos, silicatos, cromatos, sulfatos y óxidos o hldróxidos metálicos alcalinos en el producto, tenderán a disolverse fácilmente en agua; (b) los ortosilicatos metálicos alcalinos de magnesio tendrán a hidratarse en agua caliente para liberar los metales alcalinos en solución como silicatos e hidróxidos, con el resto dando una fina suspensión de hidratos de silicato de magnesio amorfo sólido, y (c) el óxido de magnesio (MgO, también conocido como periclasa) en la muestra tenderá a hidratarse en agua caliente para dar hidróxido de magnesio (Mg(OH)2, también conocido como brucita) para formar un polvo suave y fácilmente dispersable.

La suspensión puede requerir de agitarse mecánicamente. Luego, la fase líquida puede separarse de la mayor parte del ortosilicato de magnesio metálico alcalino sin reaccionar y otros compuestos anhidros sin reaccionar, por ejemplo, al tamizar, y las partículas finas de hidróxido de magnesio y/o hidratos de silicato de magnesio amorfo que pasan a través del tamiz como suspensión, pueden separarse de la suspensión, por ejemplo, al filtrar, paso a través de un hidrocielón, asentamiento y/o centrifugación. La fase acuosa, después de la separación del hidróxido de magnesio, comprende una solución acuosa de silicatos e hidróxidos metálicos alcalinos.

Alternativamente, el proceso de separación puede conducirse en dos etapas, con la primera etapa que comprende un proceso de lavado rápido para remover la mayor parte de los carbonatos, silicatos e hidróxidos metálicos alcalinos fácilmente solubles; y la segunda etapa, conducida con agua adicional, comprendiendo la hidratación adicional del óxido de magnesio y el ortosilicato de magnesio metálico alcalino. En esta estrategia en dos etapas, la temperatura del agua de preferencia es menor para la primera etapa (por ejemplo, inferior a 60 °C) que para la segunda etapa, y puede utilizarse una autoclave para la segunda etapa si es necesario.

El resultado general del proceso de separación descrito anteriormente puede resumirse de la siguiente manera: Los productos sólidos del proceso de la invención, por ejemplo, del incinerador u horno (por ejemplo, una mezcla de partículas más grandes de materias primas sin reaccionar con R2MgSi04, MgO o R2Si03, QO y posiblemente cierto R2CO3 residual) se ponen en contacto con agua para producir una segunda composición que comprende: (a) una suspensión fina que comprende hidratos de silicato de magnesio amorfo y, opcionalmente, Mg(OH)2 en una solución altamente alcalina rica en silicatos, hidróxidos y posiblemente también carbonates metálicos alcalinos, y (b) sólidos gruesos sin reaccionar que comprenden R2MgSi04 y, opcionalmente, MgO, QO y partículas sin reaccionar de la roca original de silicato de magnesio (por ejemplo, Mg2Si04), y que se separan fácilmente por sedimentación (por ejemplo, en un hidrocielón) de la suspensión fina.

La suspensión fina entonces puede separarse además (por ejemplo, por filtración) para dar (c) sólidos finos ricos en hidratos de silicato de magnesio amorfo y, opcionalmente, Mg(OH)2, y (d) una solución rica en silicatos, hidróxidos y posiblemente también carbonates metálicos alcalinos, y que también comprende cantidades menores de impurezas solubles en álcalis, por ejemplo, sulfates y cromatos.

La parte inicial de la reacción de los productos sólidos, en el proceso de la invención con agua, puede escribirse cualitativamente de la siguiente manera, para m>1 (ecuación 2a), y m<1 (ecuación 2b): (2a) (m-1)MgO + F¾MgSi04 => (nv1)Mg(0H)2 + “M-S-H” + 2R‘ + (OH , H2S¡04" CO3“) (2b) (1-m)R2Si03 + mR2MgSi04 => “M-S-H" + 2R+ + (OH , HaSíOf, C03s) En las reacciones anteriores, los compuestos sólidos principales producidos son un silicato de magnesio amorfo hidratado, “M-S-H”, de composición variable, más, en el caso donde m>1 , hidróxido de magnesio (brucita). Los metales alcalinos pueden disolverse completamente en la fase acuosa como cationes metálicos alcalinos (R+), y la carga de estos cationes metálicos alcalinos se equilibra por una mezcla de aniones disueltos, por ejemplo: hidróxido (OH ), silicato (H2S¡04=) y posiblemente también carbonato (C03=), presentes en diversas proporciones dependiendo de las condiciones y materiales utilizados. Se entenderá que las ecuaciones 2(a) y 2(b) no son ecuaciones perfectamente equilibradas, sino que simplemente se proyectan para indicar los productos iniciales principales de la reacción entre los productos sólidos del proceso de la invención con el agua.

En una modalidad adicional de la invención, la solución alcalina producida en la etapa (d) se pone en contacto con un gas que contiene dióxido de carbono, por ejemplo, gases de escape de combustión, para absorber el dióxido de carbono y producir un carbonato metálico alcalino, bicarbonato metálico alcalino o una mezcla de los mismos, generalmente en solución, y sílice (precipitado).

Por ejemplo, la solución acuosa de la etapa (d) que comprende principalmente hidróxidos y silicatos metálicos alcalinos, y tambien ciertos carbonatos metálicos alcalinos residuales, se pone en contacto con un gas que contiene dióxido de carbono, por ejemplo, gases de escape de combustión ricos en CO, tales como los gases que dejan el horno utilizado para tratar con calor los gránulos o nodulos, y los que dejan el precalentador. La solución absorbe rápidamente CO2 a partir de tales gases para producir una solución de carbonatos y bicarbonatos metálicos alcalinos, y un precipitado de sílice amorfa, de acuerdo con las siguientes ecuaciones, o similares: (3) CO2 (gas) + 2ROH (en solución) => R2CO3 (en solución) (4) C02 (gas) + R2Si03 (en solución) => R2C03 (en solución) + Si02 (precipitado sólido) (5) C02 (gas) + R2C03 (en solución) => 2RHC03 (en solución) El precipitado sólido de sílice resultante se separa de la solución, por ejemplo, por filtración, paso a través de un hidrocielón, asentamiento y/o centrifugación. Con el fin de evitar un precipitado de sílice amorfa excesivamente fino, que puede dar lugar a que la solución gelifique completamente o sea demasiado difícil de filtrar o separar, la concentración, la temperatura de la solución durante la neutralización, y/o la tasa de neutralización, se controlan. Solutos adicionales, por ejemplo, sales conocidas, también pueden incorporarse en la solución. La sílice precipitada formada por la reacción (4) anterior puede separarse, lavarse y secarse para utilizarse en diversas aplicaciones.

Se entenderá, por equilibrio de masas, que las reacciones (3) y (4) en principio deben ser capaces de absorber esencialmente todo el CO2 liberado por la reacción química que ocurre en el proceso de la invención, como se muestra en la reacción (1), pero que el C02 adicional que resulta del proceso de combustión requerido para calentar los materiales de inicio, requerirá una reacción adicional para absorberlo completamente, por ejemplo, una reacción tal como la (5), o una reacción adicional con otro absorbente.

La presente invención, de esta manera, proporciona un proceso, como se describe anteriormente en este documento, que además comprende aislar o producir óxido de magnesio, hidróxido de magnesio o un silicato metálico alcalino a partir de la segunda composición.

En una modalidad adicional de la invención, la segunda composición que comprende M-S-H se carbonata, es decir, se pone en contacto con un gas que contiene dióxido de carbono, de preferencia en presencia de agua, para producir una tercera composición que comprende un compuesto de carbonato de magnesio. La tasa de esta reacción puede controlarse por la temperatura, la presión, la humedad relativa, la presencia de catalizadores y/o el tipo de reactor utilizado. La reacción de carbonatación puede representarse, por ejemplo, por la ecuación: (6) sCO2 (gas) + pMg0.Si02,qH2G => s“MgCO3" + (p-s)Mg0.Si02.q’H2O El primer producto de esta reacción de carbonatación, mostrado anteriormente como “MgC03” puede ser un simple carbonato de magnesio, tal como la magnesita (MgC03) o nesquehonita (MgC03*3H20), o un hidroxicarbonato de magnesio complejo hidratado, tal como la hidromagnesita (Mg(0H)2*4MgC03*4H20) o artinita (Mg(0H)2*MgC03*3H20), los que depende de las condiciones empleadas. El segundo producto de esta reacción, mostrado antes como “(p-s)Mg0.S¡02.q’H20” representa un silicato de magnesio amorfo hidratado con una relación magnesio/silicio (p-s) más baja que la (p) del silicato de magnesio hidratado de inicio: o, en el caso donde p=s, representa simplemente una sílice amorfa (hidratada).

En una modalidad adicional de la invención, los sólidos gruesos hechos reaccionar parcialmente, separados de los productos de reacción en la etapa 1 (b) anterior, comprenden principalmente silicato de magnesio sin reaccionar (por ejemplo, Mg2Si04) mezclado con ciertos productos intermedios (por ejemplo, Na2MgS¡04). Estos pueden secarse y recielarse para mezclarse con material de inicio de silicato de magnesio en bruto adicional para retroalimentarse al proceso. Se entenderá que el secado debe conseguirse en una forma energéticamente eficiente, por ejemplo, primero por drenaje y luego por el uso de calor de desecho del incinerador u otras fuentes.

De acuerdo con un atributo adicional de la invención, todos los productos sólidos del proceso de la invención, por ejemplo, del incinerador u horno (por ejemplo, una mezcla de partículas más grandes de materias primas sin reaccionar con R2MgSi04 y MgO o R2Si03 y/o QO, y posiblemente cierto R2CO3 residual) se muelen en conjunto con agua para producir una suspensión o lechada que entonces se pone en contacto con un gas que contiene dióxido de carbono, por ejemplo, gases de escape de combustión ricos en CO2, tales como los gases que dejan el horno utilizado para tratar con calor los gránulos o nodulos y aquellos que dejan el precalentador. Durante este tratamiento, además de las otras reacciones descritas anteriormente, (por ejemplo, en las ecuaciones (2), (3), (4), (5) y (6)), el compuesto de ortosilicato de magnesio metálico alcalino también puede reaccionar directamente con C02, como se indica por las ecuaciones (7) y (8) a continuación: (7) R2MgSi04 + 2C02 => MgC03 (sólido) + Si02 (sólido) + R2C03 (en solución) o, alternativamente, al hacer uso de una solución de bicarbonato alcalino para lograr la misma reacción: (8) R2MgSi04 + 4RHCO3 => MgC03 (sólido) + Si02 (sólido) + 3R2C03 (en solución) El bicarbonato metálico alcalino RHC03, utilizado en la reacción (8), puede formarse por la reacción de la solución de carbonato metálico alcalino R C03 producido en la reacción (7) con dióxido de carbono, como se muestra en la ecuación (5).

Las reacciones del tipo indicado por las ecuaciones (7) y (8) pueden conducirse a temperaturas y presiones ambientales, o a temperaturas y presiones elevadas de hasta 300 atmósferas y 300 °C. Productos sólidos adicionales, tales como carbonatos de magnesio metálico alcalino complejo, (por ejemplo, eitelita, Na2C03*MgC03), pueden formarse y pueden separarse, ya sea para reutilizarse dentro del proceso o como productos útiles por sí mismos.

Estos tipos de reacción son capaces de capturar una gran cantidad de dióxido de carbono y convertirlo en productos sólidos sustancialmente estables. El carbonato de magnesio sólido producido puede ser carbonatos de magnesio simples, tales como magnesita (MgC03) o nesquehonita (MgC03*3H2O), o un hidroxicarbonato de magnesio complejo hidratado, tal como la hidromagnesita (Mg(0H)2*4MgCO3*4H2O), o artinita (Mg(0H)2*MgC03*3H20), lo que depende de las condiciones y materiales de inicio. La sílice sólida producida puede ser una sílice amorfa simple o un hidroxisilicato metálico mezclado más complejo, tal como un silicato de magnesio amorfo hidratado (“M-S-H”). Las soluciones de carbonato o bicarbonato metálico alcalino que resultan de la carbonatación completa, como se muestra en las reacciones (3), (4), (5), (7) y (8), pueden concentrarse, por ejemplo, por evaporación, lo que permite a los sólidos cristalizarse y luego recielarse al inicio del proceso. La mezcla sólida de carbonatos de magnesio y sílice, producida por estas reacciones, es uno de los productos finales del proceso general y, después de lavar, si es necesario, para recuperar tanto como sea posible de las sales de metales alcalinos solubles, puede separarse para eliminarse o para utilizarse en otros procesos.

El objeto general del proceso es convertir roca de silicato de magnesio en productos industriales útiles con bajas emisiones generales de CO2. Un beneficio adicional del proceso es capturar C02 gaseoso (por ejemplo, de los gases tóxicos industriales) y convertirlo a un carbonato mineral sustancialmente estable que comprende un compuesto de carbonato de magnesio. A continuación se encuentran algunos ejemplos de ciertas formas diferentes en las cuales puede utilizarse el proceso: Al iniciar con una roca de silicato de magnesio de composición m(Mg0)*t(Q0)*Si02»xH2O, y recielar sustancialmente todos los compuestos metálicos alcalinos (R) utilizados en el proceso, pueden asegurarse por lo menos dos corrientes de productos principales separadas, de entre las siguientes: (i) Productos ricos en óxido o hidróxido de magnesio (MgO o Mg(OH)2) (¡i) Productos ricos en sílice amorfa (Si02) (iii) Productos ricos en hidratos de silicato de magnesio amorfo (M-S-H) (iv) Productos ricos en compuestos de carbonato de magnesio, por ejemplo, carbonatas de magnesio simples, tales como carbonato de magnesio anhidro en sí (MgCO3, también conocido como magnesita), o carbonato de magnesio trihidratado (MgC03»3H20, también conocido como nesquehonita), o hidroxicarbonato de magnesio hidratado, tal como (Mg(0H)2*4MgC03*4H20), también conocido como hidromagnesita, o (Mg(0H)2*MgC03*3H20), también conocido como artinita.

La separación mejorada de las corrientes de productos sólidos principales anteriores también puede lograrse por la aplicación de otras téenicas conocidas de separación mineral tales como, por ejemplo, la flotación. Tales técnicas de flotación pueden efectuarse al utilizar auxiliares de flotación, incluyendo oleato de sodio, carboximetilcelulosa y metil isobutil carbinol.

En la medida en que el CO se produzca por la combustión de combustibles utilizados en el proceso, por ejemplo, para calentar el horno o incinerador, o para secar materiales, este C02 puede capturarse en el proceso en la forma del producto (iv) listado antes, al utilizar un proceso de tratamiento con base en las reacciones mostradas anteriormente. En la medida en que el proceso sea energéticamente eficiente, el C02 antes mencionado, producido por la combustión de combustibles utilizados en el proceso, incluso si se captura sustancialmente de manera completa por las reacciones de la clase mostrada, por ejemplo, en las ecuaciones (3), (4) y (5), generalmente no será suficiente para convertir todo el magnesio en el proceso a la corriente de producto (iv), lo que deja algo del magnesio disponible para la producción de las corrientes de productos (i) y (iii). Sin embargo, en otra modalidad del proceso, puede obtenerse C02 adicional a partir de otras fuentes e incluirse en el proceso de tratamiento y capturarse de esta manera. En tal caso, es posible operar el proceso de tal modo que la corriente de producto (i) no se produzca, pero el proceso en sí se vuelve un consumidor neto de C02. Más aún, también es posible operar el proceso sin separar ninguna de las corrientes de productos, a fin de que la única corriente de producto producida sea una mezcla de algunas o todas las corrientes de productos anteriores.

En una estrategia adicional, el proceso utiliza la misma materia prima de silicato de magnesio, como se muestra anteriormente pero, en este caso, no todos los productos ricos en metales alcalinos del proceso se recielan dentro del proceso. Por lo tanto, es posible tener una o más corrientes de productos adicionales, así como las ya listadas antes. Por ejemplo, una corriente de producto muy útil es un silicato metálico alcalino, (R2S¡03), ya sea en forma de una solución acuosa alcalina que también contiene hidróxidos y/o carbonatos metálicos alcalinos, o como producto sólido, (por ejemplo, obtenido por evaporación y/o cristalización).

De acuerdo con un atributo de la invención, el proceso además comprende la carbonatación de la segunda composición, por ejemplo, por el tratamiento con gases que contienen CO2, para producir una tercera composición que comprende un carbonato de magnesio, por ejemplo, carbonatos de magnesio simples, tales como carbonato de magnesio anhidro en sí (MgCO3), también conocido como magnesita, o carbonato de magnesio trihidratado (MgC03»3H2O), también conocido como nesquehonita, o hidroxicarbonatos de magnesio hidratados, tal como (Mg(0H)2*4MgC03*4H20), también conocido como hidromagnesita, o (Mg(0H)2*MgC03*3H20), también conocido como artinita.

De acuerdo con un atributo adicional de la invención, el proceso además comprende conducir la carbonatación de la segunda composición como se describe en el párrafo precedente, pero donde la segunda composición se forma primero al moldear o prensar para formar un artículo conformado, de tal modo que la composición carbonatada final resultante retenga la forma del artículo conformado, pero además se endurece por la formación de carbonatos de magnesio in situ. La presente Invención, de esta manera, proporciona un proceso, como se describe anteriormente en este documento, en el cual la carbonatación de la segunda composición se conduce en una segunda etapa, después de una primera etapa durante la cual se forma la segunda composición al moldear o prensar para formar un artículo conformado, de tal modo que se obtenga un artículo conformado carbonatado.

La presente invención además proporciona un artículo conformado carbonatado obtenido por el proceso que se describe anteriormente en este documento.

De acuerdo con un atributo adicional de la invención, el proceso además comprende calcinar el carbonato de magnesio a partir de la tercera composición para producir una cuarta composición que comprende óxido de magnesio.

La invención también proporciona un proceso en el cual se produce un producto que comprende un metal de transición, tal como un compuesto de hierro, níquel y/o cromo.

Otra corriente de producto útil es rica en óxidos de metales de transición, por ejemplo, óxidos de hierro tal como la magnetita (Fe304), y la cual también puede contener cantidades significativas de óxidos de cromo y/o níquel. Estos óxidos pueden concentrarse por flotación y/o separación magnética.

Otra corriente de producto útil es una solución alcalina que contiene cromatos, la cual puede tratarse con un agente reductor y control de pH (o por reducción electroquímica) para separar los óxidos de cromo relativamente puros, o incluso cromo; por ejemplo: R2Cr04 (solución acuosa) + (agente reductor) => Cr(OH)3 (precipitado sólido) BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 ilustra el proceso de la invención, conducido en un incinerador de parrilla móvil.

La Figura 2 ilustra la presión del gas y el pH de la solución acuosa, registrados como funciones de tiempo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En esta especificación, incluyendo las reivindicaciones adjuntas, los porcentajes son en masa, a menos que se indique de otra manera.

El término “granulos”, como se utiliza en esta especificación incluyendo las reivindicaciones adjuntas, se entenderá abarcando formas conformadas, en general sustancialmente esféricas, tales como pelotillas, nodulos y gránulos.

La distribución de tamaños de partículas, cuando se mide por granulometría por láser, se mide al utilizar un granulómetro por láser Malvern MS2000. La medición se efectúa en etanol. La fuente de luz consiste en un láser rojo de He-Ne (632 nm) y un diodo azul (466 nm). El modelo óptico es el de Mie y la matriz de cálculo es del tipo polidisperso.

El aparato se comprueba antes de cada sesión de trabajo por medio de una muestra estándar (sílice Sifraco C10) para el cual se conoce la distribución de tamaños de partículas.

Las mediciones se realizan con los siguientes parámetros: velocidad de bomba de 2300 rpm y velocidad de agitador de 800 rpm. La muestra se introduce con el fin de establecer un oscurecimiento de entre 10 y 20%. La medición se efectúa después de la estabilización del oscurecimiento. Primero se aplica ultrasonido a 80% por 1 minuto para asegurar la desaglomeración de la muestra. Después de aproximadamente 30 s (para limpiar de posibles burbujas de aire), se lleva a cabo una medición por 15 s (15000 imágenes analizadas). Sin vaciar la celda, la medición se repite por lo menos dos veces para verificar la estabilidad del resultado y la eliminación de posibles burbujas.

Todos ios valores dados en la descripción y los intervalos especificados corresponden a valores promedio obtenidos con ultrasonido.

Se entenderá que, en el texto precedente, a menos que se especifique de otra manera, los símbolos R, Q, m, t, x y p son como se definen inicialmente.

Los siguientes Ejemplos no limitantes ¡lustran las modalidades de la invención.

Se utilizan las siguientes abreviaciones y notaciones: XRF Fluorescencia de rayos X XRD Difracción de rayos X ICP Fotometría de Plasma Acoplado por Inducción Hidromagnesita Mg(0H)2»4MgCO3*4H2O Artinita Mg(0H)2«MgC03*3H20 Eitelita Na2C03*Mg(C03) LOI Pérdida por ignición EJEMPLO 1 Arena de olivina pura molida (Mg0.94Fe0.06)2SiO4 se mezcló con carbonato de sodio hidratado en polvo en una relación de masas 14:11. La relación molar de esta mezcla se encuentra cerca de 1:1. Este polvo en 25 g se prensó a un gránulo y se colocó en un incinerador de laboratorio en un crisol de platino. Se calentó hasta 800 °C durante 2 horas, se mantuvo a 800 °C durante 1 hora y se enfrió de nuevo a temperatura ambiente por enfriamiento natural. Con el fin de evaluar la eficiencia de reacción, muestras separadas del carbonato de sodio y olivina utilizadas se sometieron exactamente al mismo tratamiento con calor. Las pérdidas por ignición medidas se muestran en la siguiente Tabla.

La pérdida por ignición del carbonato de sodio puro se debió completamente a la pérdida de agua de hidratación y no a la descomposición o evaporación del carbonato. La muestra de olivina pura permaneció esencialmente sin cambios durante el tratamiento con calor, pero la muestra mezclada reaccionó. A partir de los datos de LOI medidos, se estima que 60% del CO2 del carbonato se perdió de la mezcla. La constitución de fases de la muestra de reacción se determinó por XRD. Los productos de reacción observados por esta téenica fueron Na2MgSi04, MgO y Fe2O3, en conjunto con cierta olivina y carbonato de sodio sin reaccionar.

La muestra de reacción en 10 g se puso en 100 mi de agua desionizada bajo agitación constante a 40 °C por 1 h con el fin de evaluar su comportamiento de disolución. La solución se filtró y el residuo sólido se analizó por XRD. Las cantidades de elementos disueltos en las soluciones acuosas se midieron por ICP.

Las fases sólidas principales detectadas en el residuo sólido filtrado fueron Na2MgSi04, MgO, Fe2O3 y olivina. Todo el carbonato de sodio sin reaccionar se disolvió en la solución acuosa. Adicionalmente, se detectó cierto Si02 disuelto con una concentración de 667 mg/l. A partir de este valor, puede estimarse que 2 a 3% de la sílice total de la mezcla se disolvió en el agua bajo estas condiciones (presumiblemente como silicato de sodio, dado que el pH de la solución fue de aproximadamente 12).

EJEMPLO 2 La misma arena de olivina pura molida (Mg0.g4Feo.o6)2Si04 y carbonato de sodio hidratado en polvo, como se utilizan en el Ejemplo 1 , se mezclaron en una relación de masas 1400:1235. La relación molar de esta mezcla es de aproximadamente 1:1. El polvo se prensó a gránulos y se colocaron (en un crisol de platino) en un incinerador de laboratorio que se mantuvo a 900 °C. La muestra se extinguió al aire después de 1 h de tratamiento con calor. Las muestras separadas del carbonato de sodio y olivina utilizadas se sometieron a un tratamiento con calor idéntico. Es importante mencionar que, a esta temperatura, el carbonato de sodio se encuentra en estado líquido (la temperatura de fusión de este compuesto es 851 °C). La pérdida por ignición medida de todas las muestras se presenta en la siguiente Tabla.

A partir de los datos de LOI medidos, se obtuvo una tasa de conversión (grado de descarbonatación) de cerca de 100%, lo cual significa que la reacción se completó esencialmente. El producto de reacción se analizó por XRD y las fases detectadas fueron Na2MgSi04, MgO, NaFe02, en conjunto con cierta olivina sin reaccionar. No se detectó carbonato de sodio restante, de acuerdo con los datos observados de pérdida por ignición. La relación de masas MgO a Na2MgS¡04 se estimó por análisis Rietveld de los datos de XRD y fue de 14:86, de acuerdo razonable con los cálculos de equilibrio de masas.

EJEMPLO 3 El producto en polvo en 13 g del Ejemplo 2 se mezcló con 260 mi de agua para dar una suspensión con aproximadamente 50 g/l de concentración de sólidos. Esta suspensión se colocó en un reactor de presión cerrado con un volumen total de 2 litros, mantenido a 25 °C. El reactor primero se evacuó y luego se llenó con CO2 gaseoso puro hasta una atmósfera de presión. La presión del gas y el pH de la solución acuosa se registraron como funciones de tiempo y se presentan en la Figura 2. El índice de caída de presión indica que la suspensión captura C02 gaseoso rápidamente y, al mismo tiempo, el pH de la solución desciende rápidamente de un valor inicial de más de 12 a un valor final de aproximadamente 8.5, consistente con la formación de una solución mixta de carbonato/bicarbonato de sodio. Después de esta reacción, los sólidos en la suspensión se filtraron y analizaron por XRD. El NaFe02 ya no fue detectable y la relación Mg0:Na2MgSi04 se había incrementado a un valor estimado de 18:82, lo que indica que cierto silicato de sodio se había percolado de la fase de Na2MgSi04 hacia la solución y luego se había carbonatado.

EJEMPLO 4 El producto en polvo en 5 g del Ejemplo 2 se mezcló con 200 mi de agua para dar una suspensión de aproximadamente 25 g/l de concentración de sólidos. Esta suspensión entonces se sometió a ebullición suavemente por una hora, después de lo cual se filtró y el residuo sólido se analizó por XRD. La concentración relativa de la fase de Na2MgS¡04 en el residuo se redujo claramente en gran medida en comparación con el residuo original sin tratamiento, y la concentración relativa de MgO se incrementó en gran medida. Las fase de NaFe02 también desapareció por completo, pero claramente se observaron picos para una fase de hidróxido doble estratificada que probablemente tiene una fórmula cercana a 4MgO*Fe2O3*CO2*10H2O, en conjunto con picos más débiles para Fe2O3 (haematita) y olivina sin reaccionar.

El filtrado líquido también se analizó por ICP y los resultados (véase la Tabla a continuación) mostraron una alta concentración (6.92 g/l como Na20) de sodio en solución, así como 0.47 g/l de S¡02. Esto confirma que la mayor parte del sodio se había percolado desde la muestra, y que aproximadamente 15% del mismo probablemente estaba en forma de una solución de metasiicato de sodio, y el resto presumiblemente como una mezcla de hidróxido de sodio y carbonato de sodio.

Análisis químico de la solución acuosa EJEMPLO 5 El producto en polvo del Ejemplo 2 se mezcló con agua para dar lechadas (suspensiones) con diversas concentraciones de sólidos, en algunos casos con la adición de diversas sales solubles a la solución acuosa inicial. Una muestra de suspensión se puso en un reactor cerrado con un volumen total de 1.65 litros, se mantuvo a 35 °C y se agitó con un agitador mecánico que operaba a 500 rpm. El reactor primero se evacuó y luego se llenó con CO2 gaseoso puro hasta una atmósfera de presión. La presión del gas, que disminuyó con el tiempo debido a su absorción por la suspensión, se registró de manera continua. En cualquier momento en que la presión alcanzó un valor relativamente constante, C02 adicional se agregó nuevamente para llevarla de regreso a una atmósfera. Al seguir el cambio de presión con el tiempo entre recambios, fue posible estimar la cantidad total de C02 consumido por la reacción con la suspensión. Los resultados para una serie de tales experimentos se resumen en la siguiente Tabla.

La captura máxima teórica de C02 se calculó bajo la suposición de que todos los sólidos susceptibles de carbonataclón, expresados en función de MgO y Na20 en los sólidos, puede carbonatarse para dar MgC03 y Na2C03, respectivamente, sin tener en cuenta ningún aditivo de suspensión presente. Sin embargo, se observó que los productos sólidos principales usualmente fueron hidromagnesita y, en un caso, artinita, lo cual puede implicar una cantidad de captura de C02 ligeramente menor al valor teórico máximo. En el experimento 4, durante el cual no se utilizaron aditivos de suspensión (es decir, se utilizó agua pura para elaborar la suspensión) la cantidad de CO2 capturado, a 84% de lo teórico, en realidad es ligeramente más de lo que podría esperarse si la artinita fuera el carbonato de magnesio principal formado, de modo que es probable que otros carbonatos también se formaran pero no se detectaran. En cualquier caso, el resultado del experimento 4 muestra que es posible carbonatar esencialmente por completo una suspensión acuosa del producto de reacción del Ejemplo 2 en aproximadamente un día a presión atmosférica. (Obsérvese también que la duración de estos experimentos fue probablemente mayor a la necesaria, dado que tenían que dejarse durante la noche sin vigilancia, tiempo en el cual no podía agregarse C02 adicional para llevar la presión de regreso. Si una atmósfera de presión de C02 se había mantenido de manera continua, los tiempos de reacción probablemente habrían sido más cortos significativamente).

EJEMPLO 6 Una muestra triturada de serpentina de Horsmanaho, Finlandia (molida en un molino de bolas a un polvo con paso de 43% en un tamiz de 75 micrómetros, y que contenía, en masa, 37.9% de silicio expresado como Si02, 38.7% de magnesio expresado como MgO, 7.4% de hierro expresado como Fe2O3, y con una pérdida por ignición de 14.9% a 950 °C), se mezcló con carbonato de sodio anhidro en polvo en una relación de masas 5355:4645 (relación molar de aproximadamente 1 :1.3). Aproximadamente 5 kg del polvo mezclado se prensaron en un crisol de acero y se calcinaron en un incinerador de laboratorio a 950 °C durante 4.5 horas. La pérdida de masa durante la calcinación fue de 27.9%. A partir de la pérdida de masa medida, puede estimarse que la reacción de descarbonatación se completó. El producto de reacción se analizó por espectrometría XRF y se demostró que contenía 27.8% de silicio expresado como Si02, 30.4% de magnesio expresado como MgO, 5.7% de hierro expresado como Fe2O3 y 33.4% de sodio expresado como Na20. Una análisis de XRD mostró que las fases principales presentes en el producto eran Na2MgSi04 y perielasa (MgO).

EJEMPLO 7 Los productos de reacción del Ejemplo 2 (referidos a continuación como “producto X”) y del Ejemplo 6 (referidos a continuación como “producto XS”) se molieron a polvo, y las finuras de los polvos resultantes se midieron al utilizar el método de Área Superficial Específica de Blaine (BSS). Para cada muestra de producto X o XS, 75 g del sólido se agregaron a 1.5 litros de agua desionizada en un reactor de vidrio equipado con un agitador con una paleta helicoidal de Teflon® que operaba a 500 rpm. Gas CO2 puro se hizo a burbujear de manera continua a través de la suspensión agitada (mediante una frita de vidrio poroso en la parte inferior) a un caudal de flujo de 12 litros normales por hora a una presión absoluta cercana a una atmósfera. El contenido del reactor se mantuvo a 70 °C por una camisa calentada al hacer circular agua caliente. Después de diversos espacios de tiempo, se tomaron muestras de la suspensión para valorar el progresan de la reacción de carbonataclón. La muestras se filtraron y los filtrados líquidos se analizaron en sus elementos disueltos por ICP. Los residuos sólidos de filtración se secaron a 110 °C y luego se analizaron por espectrometría XRF en su composición elemental, por XRD en su composición cualitativa de fases, y por análisis térmico acoplado con análisis de gas desprendido para la detección cuantitativa de CO2 y agua combinados. Con el fin de calcular la cantidad de magnesio que había reaccionado, se asumió que todo el C02 en el residuo seco de filtración se presentó en forma de hidromagnesita.

Los resultados para tres diferentes muestras de productos se dan en la siguiente Tabla. (1) En ei experimento 6, se utilizó un sistema de agitación de alta potencia en lugar del agitador normal Puede observarse, a partir de los resultados anteriores que es posible carbonatar los productos X y XS en sólo una atmósfera de presión en suspensión acuosa, y obtener rendimientos de conversión del orden de 60- 70% del magnesio total en el material de inicio en aproximadamente 3.5 a 4 horas. Con base en análisis de XRF de las fases sólidas, acoplado con análisis de ICP de la fase líquida, se estima que a grandes rasgos 90% del Na inicial y 50% del Cr inicial en el producto percolado durante el experimento.

EJEMPLO 8 Formación de eitelita.

El procedimiento del Ejemplo 7 se repitió al utilizar dos suspensiones (preparadas a partir de los productos X y XS de los Ejemplos 2 y 6, respectivamente) a una concentración de 150 g/l, es decir, tres veces la concentración utilizada en el Ejemplo 7.

Durante las 3 primeras horas, se observaron las mismas tendencias que aquellas en el Ejemplo 7. Pero después de 4 horas, el XRD reveló la presencia de eitelita, así como hidromagnesita. Los resultados se dan en la siguienté Tabla.

EJEMPLO 9 Efectividad de percolado de agua El producto X en 50 g se lavó en 1 I de agua desionizada 6 veces en serie (15 minutos de agitación en medio a temperatura ambiente y presión atmosférica, es decir, 25 °C y 1 bar). Cada vez se tomó una pequeña muestra para analizar los sólidos y los líquidos. Los resultados de XRF para el producto X acoplado con análisis de solución ICP condujeron a los resultados dados en la siguiente Tabla, en la cual se dan los porcentajes de cada elemento percolados a partir del producto en función del número de etapas de lavado.

La primera etapa de lavado claramente fue la más eficiente. Por lo tanto, 500 g del producto X se lavaron en las mismas condiciones, el sólido entonces se filtró y se secó durante la noche a 110 °C. Finalmente, el mismo experimento de carbonatación que se describe en el Ejemplo 8, se realizó en este producto sólido. Esta vez, el análisis de XRD reveló sólo hidromagnesita, sin que se detectara eitelita. Esto muestra que pueden utilizarse lavados para potenciar el recielado de Na en el proceso.

El análisis de la solución obtenida después del primer lavado (Tabla a continuación) mostró que tenía un pH alto y contenía aproximadamente 4000 mg/l de Na y 637 mg/l de Si, con los otros elementos presentes en cantidades muy inferiores. A partir de ello, se estimó que la solución contenía aproximadamente 23 milimoles/litro de metasilicato de sodio (Na2Si03) y 130 milimoles/litro de hidróxido de sodio (NaOH), posiblemente incluyendo también algunos iones carbonato.

EJEMPLO 10 Formación de hidromagnesita a 60 °C Se preparó 1 I de una suspensión de 50 g/l de producto X y se vertió en una autoclave de 2 I. El sistema se cerró y 1 I de CO2 puro a 10 bares se agregó sin purgar el aire residual, después de lo cual la suspensión se agitó y se calentó hasta 60 °C (lo cual a grandes rasgos corresponde el punto de rocío de los gases de escape en una planta cementera). Después de 2 horas, la presión cayó a cerca de la atmosférica y se detuvo el calentamiento de la autoclave. El siguiente día, la suspensión se filtró y se secó durante la noche a 110 °C. El XRD reveló hidromagnesita como el producto cristalino principal.

EJEMPLO 11 Formación de magnesita como producto principal a 120 °C.

El procedimiento del Ejemplo 10 se repitió pero a 120 °C (una temperatura típica para gases de escape de una planta cementera) utilizando la misma autoclave y agregando CO2 cada vez que la presión caía cerca de dos bares (la presión de vapor de agua en equilibrio a 120 °C). Se realizaron tres adiciones de C02 hasta 10 bares en el lapso de un día. El XRD en el sólido seco reveló que la magnesita (MgCO3) era el producto principal, pero también mostró algunas trazas de magnetita (Fe304). El análisis de ICP de la fase acuosa mostró 90% de percolado de Na. El contenido combinado de C02 en los sólidos se analizó por medio de un incinerador de inducción de alta frecuencia acoplado a un analizador de gases Horiba EMIA-820V y mostró que la cantidad de MgCO3 presente contribuyó en aproximadamente 47% al Mg original en el Producto X.

EJEMPLO 12 Separación selectiva de cromo por reducción en solución.

El producto X en polvo se agitó con agua desionizada por 15 minutos a una relación de masas 2:1 de agua:sólidos. La fase acuosa de color amarillo se filtró y se tomó una muestra para análisis de ICP. Sulfato ferroso (FeSO4), un agente reductor, en exceso, entonces se agregó en forma de polvo a la solución, después de lo cual se formó un precipitado que contenía cromo. El líquido nuevamente se filtró, dando una solución incolora que se analizó nuevamente por ICP. El contenido de cromo de la fase acuosa de color amarillo fue de 772 mg/l. La solución incolora contenía sólo 29 mg/l de cromo.

Estos resultados, en comparación con el análisis de las materias primas, indicaron que aproximadamente 50% del cromo total en la materia prima original (olivina) se convirtió a una forma fácilmente soluble (cromato) por el proceso utilizado para elaborar el “producto X”, y 96% del Cr percolado hacia la solución se precipitó por la adición de sulfato ferroso.

EJEMPLO 13 Concentración de hidromaanesita a partir de los residuos sólidos por flotación Se realizaron pruebas de separación por flotación en los productos carbonatados producidos a partir de la aplicación del proceso a olivina y serpentina, de manera similar a los productos mostrados, respectivamente, para los experimentos 5 y 7 en la Tabla del Ejemplo 7. Combinaciones de oleato de sodio, carboximetilcelulosa (CMC) y metil ¡sobutil carbinol (MIBC) se utilizaron en la fase acuosa en secuencia para dispersar los sólidos en forma de una suspensión a una concentración de sólidos de 90 g/l.

Primero, se agregó oleato de sodio a la suspensión y se agitó por 5 minutos en un vaso de precipitado con el fin de volver hidrofóbicas las partículas carbonatadas. Luego se agregó CMC para deprimir la hidrofobicidad del silicato, seguido por 5 minutos más de agitación y, finalmente, se agregó MIBC con el fin de estabilizar la espuma formada por burbujeo de aire.

Se hizo burbujear aire a través de la suspensión tratada en una celda de flotación en miniatura, y los sólidos transportados por la espuma se recolectaron como “concentrado”. Los sólidos residuales se recolectaron como “desperdicios”. Los resultados de cuatro experimentos semejantes se presentan en la Tabla a continuación. El contenido de CO2 se analizó por medio de un incinerador de inducción de alta frecuencia acoplado a un analizador de gases Horiba EMIA-820V. El contenido de C02 de los concentrados típicamente fue 3-4 veces mayor al de los desperdicios, lo que muestra que la hidromagnesita puede separarse efectivamente por flotación en esta forma.

Los resultados de XRD confirman la separación. Se expresan en forma cualitativa por diferentes símbolos que expresan la probabilidad de presencia de una fase: • (o) no presente, • (*) posiblemente presente, • (X) definitivamente presente, (X+) presente en abundancia.

EJEMPLO 14 Talco natural molido de Luzenac (Francia) con composición nominal Mg3S¡4Oio(OH)2 y que contenía algunas impurezas menores (1.1% de Al203, 0.9% de Fe203 y 0.9% de CaO en masa) se mezcló con carbonato de sodio anhidro (Na2CO3) a una relación de masas 4863:5136 (relación molar de aproximadamente 1:1). La composición se eligió con el fin de obtener una relación atómica de 2:1 de Na:Si en la muestra final. Este polvo en 20.5 g se prensó a un gránulo y se colocó en un incinerador de laboratorio en un crisol de platino. La muestra se calentó a 900 °C durante 1 hora, seguido por enfriamiento en aire. Se pesó antes y después del tratamiento, y la pérdida por ignición medida de 23.3% fue consistente con la evaporación de dióxido de carbono a partir del carbonato de sodio más agua unida del talco, y esto representa aproximadamente 95% del valor teórico para la reacción completa de 24.6%. La constitución de fases de la muestra de reacción se determinó por difracción de rayos X: los productos principales detectados fueron Na2MgSi04 y Na2S¡03.

EJEMPLO 15 Una muestra del Producto X se percoló en agua al seguir un procedimiento similar al determinado en el Ejemplo 9. Después de secar a 105 °C, el material en polvo (que tenía un pérdida por ignición de 8.9%), se analizó por fluorescencia de rayos X en sus elementos principales, y se encontró que contenía 28.1% de Si02, 39.1% de MgO y 17.9% de Na20. Un análisis de difracción de rayos X mostró que los compuestos cristalinos principales presentes en el polvo fueron perielasa (MgO), ortosilicato de sodio y magnesio (Na2MgSi04) y forsterita olivina (Mg2Si04), pero también se sabía que contenía hidratos de silicato de magnesio amorfo (M-S-H). Se mezclaron 5 partes de este material manualmente con 1 parte de agua desionizada en un tazón de caucho, utilizando una espátula. Alícuotas de 7 g de la pasta resultante se comprimieron en un molde cilindrico a una carga de 3 toneladas para dar gránulos cilindricos de 19 mm de diámetro y 10 mm de altura. Estos gránulos se sometieron a curado en un flujo de CO2 en gas puro a presión atmosférica en una cámara a 20 ± 2 °C. Dos diferentes condiciones de humedad se probaron: seco (es decir, sin agua agregada a la corriente de gas), y húmedo (en el cual la corriente de gas se burbujeó a través de agua en la parte inferior de la cámara de curado antes de pasar sobre los gránulos). La captación de CO2 y/o agua por los gránulos se siguió por su rápida recolección y pesaje una vez al día. El experimento se detuvo después de una semana, dado que los incrementos en peso habían comenzado a nivelarse. En este punto, los gránulos carbonatados bajo condiciones secas habían ganado 3.0% y los cuatro gránulos probados dieron cambios en peso esencialmente idénticos. Por otro lado, los gránulos carbonatados bajo condiciones húmedas (cerca de 100% de humedad relativa) mostraron una variación más amplia gránulo a gránulo en el incremento en peso, con una media de 7.8% y una desviación estándar de aproximadamente 1%.

Fue notable que todos los gránulos que se habían carbonatado bajo una atmósfera de C02 se volvieran superficialmente mucho más rígidos que los gránulos asociados, que simplemente se habían almacenado en aire. Los pellets carbonatados bajo condiciones húmedas también mostraron una cantidad considerable de eflorescencia. Una muestra de esta eflorescencia se desprendió y analizó por difracción de rayos X. Se encontró que contenía nesquehonita (MgC03.3H2O), nahcolita (NaHCOa), trona (Na3H(C03)2*2H20) y carbonato de sodio monohidratado (Na2C03.H20). Los gránulos carbonatados en húmedo en sí, analizados por la misma téenica, mostraron presencia principalmente de perielasa (MgO), ortosilicato de sodio y magnesio (Na2MgSi04), olivina (Mg2Si04) y nesquehonita (MgC03.3H20). De esta manera, parece que la nesquehonita fue la principal fase “aglutinante” y que se produjo probablemente en grado significativo por carbonatación de M-S-H.

Pares de gránulos tratados y sin tratamiento se comprimieron a falla en una máquina de compresión. Los resultados se resumen en la Tabla a continuación: Es claro que el proceso de carbonatación a presión atmosférica incrementó en gran medida la resistencia de los gránulos, y que la carbonatación bajo condiciones secas fue preferible a la carbonatación bajo condiciones húmedas.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1 Un proceso para el tratamiento de un silicato, el proceso comprende: una primera etapa para preparar una primera composición que comprende un ortosilicato de magnesio metálico alcalino y opclonalmente (i) óxido de magnesio o (ii) un silicato metálico alcalino, por reacción, a una temperatura de 500 a 1200 °C, de un compuesto de carbonato metálico alcalino, cuyo compuesto es un carbonato metálico alcalino, un bicarbonato metálico alcalino o una mezcla de los mismos, con un silicato de magnesio, la relación molar de compuesto de carbonato metálico alcalino, expresado como óxido metálico alcalino de la fórmula R20, en la cual R representa un metal alcalino, a silicato de magnesio, expresado como dióxido de silicio, de la fórmula Si02, siendo de 4:1 a 1 :4, y una segunda etapa para poner en contacto la primera composición con agua para producir la segunda composición que comprende un silicato de magnesio amorfo hidratado (M-S-H). 2 El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , en el cual el M-S-H se representa por un óxido de la fórmula de la forma pMg0.Si02.qH2O, donde p es de 0.5 a 2.0 y q es de 1 a 4. 3 El proceso de conformidad con la reivindicación 1 o 2, en el cual el silicato de magnesio es un silicato de magnesio en el cual la relación molar de óxido de magnesio a sílice es de 0.5 a 3. 4 El proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el cual el silicato de magnesio comprende una roca de silicato de magnesio que comprende un silicato de magnesio de la composición general: m(Mg0)*t(Q0)*Si02*xH20 en donde m es de 0.5 a 3, t es menor o igual a 1 , x es de cero a 2 y Q representa un metal o metales diferentes a magnesio. 5 El proceso de conformidad con la reivindicación 4, en el cual Q representa hierro, níquel y/o cromo, cuyo proceso además comprende el aislamiento de un compuesto de hierro, níquel y/o cromo. 6 El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , que además comprende una etapa subsecuente de aislar o producir óxido de magnesio, hidróxido de magnesio o un silicato metálico alcalino a partir de la segunda composición. El proceso de conformidad con la reivindicación 1 , que además comprende una etapa subsecuente en la cual la segunda composición se carbonata para producir una tercera composición que comprende un compuesto de carbonato de magnesio. 8 El proceso de conformidad con la reivindicación 7, que además comprende una etapa subsecuente en la cual el carbonato de magnesio de la tercera composición se calcina para producir una cuarta composición que comprende óxido de magnesio. 9 El proceso de conformidad con la reivindicación 7, en el cual la carbonatación de la segunda composición se conduce en una segunda subetapa, después de una primera subetapa durante la cual se forma la segunda composición al moldear o prensar para formar un artículo conformado, de tal modo que se obtenga un artículo conformado carbonatado. 10 Un artículo conformado carbonatado, obtenido por el proceso de la reivindicación 9.